EDUARDO FERREIRA CAETANO
ABORDAGENS SOBRE ENERGIA NUCLEAR NA
ESCOLARIDADE BÁSICA
DIADEMA
2021
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO
EDUARDO FERREIRA CAETANO
ABORDAGENS SOBRE ENERGIA NUCLEAR NA
ESCOLARIDADE BÁSICA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para obtenção do grau de licenciado em Ciências-Física junto ao Instituto de Ciências Ambientais, Químicas e Farmacêuticas da Universidade Federal de São Paulo, Campus Diadema.
Orientador: Prof. Dr. Wagner Marcelo Pommer
DIADEMA
2021
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU
PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO
CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO
E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Catalogação na Publicação
Serviço de Biblioteca e Documentação
Universidade Federal de São Paulo
CAETANO, Eduardo Ferreira. Abordagens Sobre Energia Nuclear na escolaridade básica. Monografia (Trabalho de Conclusão de Curso). Universidade Federal de São Paulo, Diadema, 2021.64f.
Orientação Prof. Dr. Wagner Marcelo Pommer.
Palavras-chave:
FOLHA DE APROVAÇÃO
Nome: EDUARDO FERREIRA CAETANO
Título: Abordagens Sobre Energia Nuclear na escolaridade básica
Texto apresentado à Banca Examinadora do curso de Ciências-Licenciatura do Instituto de Ciências Ambientais, Químicas e Farmacêuticas da Universidade Federal de São Paulo, Campus Diadema.
Aprovado em: 19/02/2021
Banca Examinadora
Prof. Dr.: Wag ner M arcelo Po mmer Inst it uição: Univ ersida de F edera l de São Pa ulo
Profª Drª Ro seli K ünzel Inst it uição: Univ ersida de F edera l de São Pa ulo
Agradecimentos
A Deus.
Ao Prof. Dr. Wagner Marcelo Pommer, pela orientação.
À Profa. Dra. Roseli Künzel e ao Prof. Dr. Ronaldo Savarino Levenhagen pelas aulas na graduação e pelas contribuições no exame de defesa de TCC.
Aos docentes e os funcionários do curso de Ciências da Unifesp de Diadema. A todos os professores do curso de Ciências da UNIFESP
A todos os colegas de graduação.
Em Especial a John Lucas, Luiz Alberto, Wellington Fabricio, Aline Ciola, Francisco Cardeira, Gilson Alves, André Rodrigo e Diego Soares.
Aos meus pais, Fatima e Roberto (in memoriam).
CAETANO, Eduardo Ferreira. Abordagens Sobre Energia Nuclear Na Escolaridade Básica. 2021. 64f. Monografia (Trabalho de Conclusão de Curso) - Universidade Federal de São Paulo, Diadema, 2021.
Resumo
O presente trabalho se propôs a discutir possíveis abordagens sobre o tema da Energia Nuclear no entorno da escolaridade básica. No decorrer do desenvolvimento do texto buscou formular um arcabouço teórico inserido na proposta da transposição didática de Chevallard (1999) que poderá contribuir com o trabalho docente, isto é, com a prática do professor em sala de aula. Nesse sentido, foram ilustradas algumas aplicações importantes do uso da Energia Nuclear e seus princípios com intuito de apresentar os benefícios para que, de modo geral, ela possa contribuir para a formação do conteúdo conceitual do tema aliado aos conhecimentos didático. Com base em alguns trabalhos pesquisados, selecionamos algumas propostas didáticas para a utilização no ambiente escolar que podem ser adaptados e principalmente servir como inspiração para se trabalhar Energia Nuclear com os alunos do ensino básico. Com isso, acreditamos poder contribuir para divulgação de um assunto expressivo no cenário mundial que não remeta somente à importância econômica, isto é, energética, mas também nas relações internacionais. E por fim, o desenvolvimento deste trabalho ajudará a preparar cidadãos críticos que entendam a importância sobre essa tecnologia para o desenvolvimento de um país.
Abstract
This work aims to discuss possible approaches on the topic of Nuclear Energy in the area of basic education. During the development of the text, he sought to formulate a theoretical framework inserted in the proposal of the didactic transposition of Chevallard (1999) that can contribute to the teaching work, that is, with the practice of the teacher in the classroom. In this sense, some important applications of the use of Nuclear Energy and its principles were illustrated in order to present the benefits so that, in general, it can contribute to the formation of the conceptual content of the theme combined with didactic knowledge. Based on some researched works, we selected some didactic proposals for use in the school environment that can be adapted and mainly serve as inspiration to work on Nuclear Energy with students of basic education. With this in mind, we believe we can contribute to the dissemination of an expressive subject on the world stage that does not refer only to the economic importance, that is, energy, but also in international relations. And finally, the development of this work will help to prepare critical citizens who understand the importance of this technology for the development of a country.
Sumário
INTRODUÇÃO ... 12
CAPÍTULO 1 - FUNDAMENTOS PEDAGÓGICOS ... 17
CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTOS CIENTÍFICOS ... 21
2.1- Energia ... 21
2.2- O Átomo ... 22
2.3- Algumas partículas subatômicas ... 25
2.4- Relação entre Massa e Energia ... 26
2.5- Força Forte e Força Fraca ... 28
2.6- Fissão e Fusão Nuclear ... 29
2.7- Radiação ... 32
2.8- Reação em cadeia ... 34
CAPÍTULO 3 - ALGUMAS APLICAÇÕES DA ENERGIA NUCLEAR ... 36
3.1- Enriquecimento de Urânio (Teor de 𝟐𝟑𝟓𝑼 ) ... 36
3.2- Os Reatores Nucleares ... 37 3.2- A Agricultura ... 42 3.3- Aplicações na Medicina ... 45 3.4- As Armas Nucleares ... 50 CONCLUSÕES ... 56 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 59
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Alguns Átomos Diferentes. ... 23
Figura 2: Diferentes Isótopos do Hidrogênio. ... 23
Figura 3: Gráfico dos nuclídeos conhecidos... 24
Figura 4: Simulação de construção de átomos em PHET. ... 24
Figura 5: Os vários estágios da fissão, de acordo com o modelo coletivo de Bohr e Wheeler. ... 30
Figura 6: O ciclo próton-próton responsável pela produção de energia no Sol. ... 31
Figura 7: Energia de ligação por núcleon em função do número de massa A. ... 31
Figura 8: O espectro eletromagnético. ... 33
Figura 9: Reação nuclear em cadeia iniciada pela captura de um nêutron. ... 34
Figura 10: O modelo representativo proposto na atividade de Peron (2016). ... 37
Figura 11: Componentes principais de um reator nuclear de água pressurizada... 38
Figura 12: Simulação de um Reator Nuclear em PHET. ... 40
Figura 13: O modelo representativo proposto na atividade de Vieira(a) (2017). ... 41
Figura 14: O modelo representativo proposto na atividade de Vieira (b) (2017)... 41
Figura 15: Estados de criticidade. ... 42
Figura 16: CONTAMINAÇÃO E EXPOSIÇÃO. ... 43
Figura 17: Rótulos de embalagens apresentados na atividade de Vasconcelos (2011). ... 44
Figura 18: O modelo representativo proposto na atividade de Silva (2019). ... 46
Figura 19: Gráfico obtido após a sequência de lançamentos na atividade de Silva (2019). .... 47
Figura 20: O decaimento no tempo da radioatividade ... 47
Figura 21: Representação radionuclídeo em dados de 4, 6, 8, 12 e 20 Lados ... 48
Figura 22: Atividade com chapas de Raio-X ... 49
Figura 23: Analogia com a produção de radiografias 1... 49
Figura 24: Analogia com a produção de radiografias 2... 50
Figura 25: Método da implosão. ... 52
Figura 26: Método da “bala de canhão”. ... 52
Figura 27: Bomba “boosted” ... 53
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Algumas partículas e suas propriedades ... 25 Tabela 2: Energia Equivalente de Alguns Objetos ... 27 Tabela 3: Interações de partículas ... 29
12
INTRODUÇÃO
O presente trabalho1 versa sobre o ensino de Física e, mais especificamente, sobre a
discussão da inclusão do tema da Energia Nuclear na escolaridade básica. O interesse pelo assunto em questão surgiu durante o contato com disciplinas relacionadas à Energia Nuclear, as quais cursei na graduação em Ciências-Licenciatura da Universidade Federal de São Paulo, desenvolvido no campus Diadema, assim como pelas visitas feitas ao Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), onde houve um embasamento e aprofundamento sobre o tema por parte de professores do referido curso.
Inicialmente, a discussão sobre o ensino de Física na escolaridade básica se torna relevante no cenário educacional atual face aos desafios da atual sociedade tecnológica e a necessidade de formação de sujeitos conscientes e preparados para o mercado de trabalho, conforme expresso nos Parâmetros Curriculares Nacionais, descritos em BRASIL (1998).
Um aporte para se materializar esta intenção é destacado no Programa Nacional do Livro Didático, apontado em BRASIL (2018). Este documento coloca que é fundamental a disponibilização de materiais didáticos de qualidade para professores e estudantes, de modo a subsidiar, embasar, acompanhar e enriquecer o processo de ensino e aprendizagem da Física no ambiente da escolaridade básica.
Não menos importante é realizar uma escolha consciente do melhor livro didático para cada escola e realidade: um livro cuja proposta didático-pedagógica vá ao encontro do projeto político-pedagógico da escola e seja o seu suporte mais adequado para o processo de ensino e aprendizagem da Física (BRASIL, 2018, p. 8).
Um segundo ponto se faz com relação aos materiais disponíveis para se efetivar o ensino de Física. Para o Programa Nacional do Livro Didático a:
[...] Física escolar deve contemplar, portanto, a escolha cuidadosa dos elementos mais importantes presentes na estrutura conceitual da Física como uma disciplina científica, uma área do conhecimento sistematizado em termos de conceitos e definições, princípios e leis, modelos e teorias, fenômenos e processos. Deve, ainda, incorporar um tratamento articulado desses elementos entre si e com outras áreas disciplinares, bem como com aspectos históricos, tecnológicos, sociais, econômicos e ambientais, de modo a propiciar as aprendizagens significativas necessárias aos estudantes e, assim, contribuir para que o Ensino Médio efetive sua função como etapa final da formação educacional básica de todo e qualquer cidadão (BRASIL, 2018, p. 9).
1 Este TCC se inseriu no Projeto 'Generalização&Padrões' desenvolvido no curso de Ciências (UNIFESP-Diadema) e apresenta aprovação pelo CEP sob número CAEE 89885218.0.0000.5505, versão 6.
13
O mesmo documento cita outra questão, que consiste na manutenção da permanência dos alunos, de modo a evitar a evasão escolar, pela manutenção do interesse pelos estudos e, ainda, propiciar uma aprendizagem significativa em todos os componentes curriculares.
Neste contexto, temos como hipótese que a Energia Nuclear possui condições para contribuir com os aspectos acima referidos. E para podermos nos posicionar sobre esta questão precisamos discutir quais são os mínimos conhecimentos para entender e realizar o exercício da cidadania ativa, crítica em uma sociedade cada vez mais tecnológica. Para além destes eixos apresentados anteriormente, a interdisciplinaridade é uma ferramenta que pode vir a ser usada pelos docentes no Ensino de Física, sobretudo quando a temática é a Energia Nuclear.
O ato pedagógico interdisciplinar permite a comunicação direta entre as ciências. Coimbra (2000) traz essa discussão em torno deste conceito e nos diz sobre a relação entre duas ciências ou mais. Fazenda (2010) ainda contribui dizendo “[...] é preciso integração no momento da interdisciplinaridade em que há a organização das disciplinas”. Cruz (2016) nos fornece outro ponto para a discussão argumentando que além destes fatores de integração entre as ciências mencionadas, o material didático é de grande importância no Ensino de Física.
A temática da Energia Nuclear pode trazer contribuições na instituição escolar. Segundo CNEN (2012), este tópico pode se fazer presente na escolaridade básica, pois tem relação com o desenvolvimento de novas tecnologias em diversos campos da atividade humana, possibilitando a execução de tarefas impossíveis de serem realizadas pelos meios convencionais. Além trazer contribuições para o ensino de física, geralmente os alunos que estão no ensino básico apresentam interesse e trazem conceitos formulados sobre a temática. É interessante que, de modo geral, os conceitos apontados pelos estudantes nem sempre possuem explicações científicas plausíveis, isto é, não estão pautadas em algum paradigma que explique um fenômeno envolvendo Energia Nuclear. Neste sentido, (SILVA, 2018) nos diz que:
[...] verificou-se que os alunos têm grande interesse e especial curiosidade pelo assunto da Física Nuclear, no tocante às catástrofes, acidentes, bomba nuclear, aplicações, etc., e que ele também trazem consigo uma base de ideia sobre o assunto, sendo em alguns casos com fundamentos e argumentos sólidos, mas em sua maioria superficial e fictício (ideia cinematográfica/fantasioso) (p. 48).
Para além do âmbito escolar, a discussão a respeito do “[...]uso da Energia Nuclear sempre foi motivo de polemica em todo mundo. Em muitos países, a opinião pública está [geralmente] contra a Energia Nuclear. Mas para tomar lado nessa questão é necessário entender o assunto” (PERUZZO, 2012, p. 175, inserção nossa).
14
Ainda, o referido autor aponta que a energia oriunda do núcleo tem as mais diversas aplicações, que vão desde a produção de energia elétrica nos reatores nucleares de potência, até aplicações na indústria para verificação de soldas, na agricultura para a erradicação de micro-organismos nos alimentos, na medicina para a destruição de tumores, entre muitas outras.
É possível imaginar que em nosso corpo, a cada minuto, cerca de um quarto de um milhão de átomos está se desintegrando, emitindo radiação? É exatamente isso que ocorre. Toda vida em nosso planeta está exposta à radiação natural. Nossos antepassados estiveram expostos a ela, e nós também estamos, queiramos ou não (OKUNO, 1998, p. 23).
À medida que o autor expõe a historicidade que circunda a temática radiação, é apresentado o argumento de que a radiação é algo natural e, desse modo. Entretanto é importante evitar as exposições desnecessárias. Porém dentro do senso comum não é isso que vemos, mas sim a radiação sendo encarada pelo cidadão como uma produção humana que leva ao desastre ou a destruição, e na maior parte das vezes sequer são citados os seus benefícios e a principal utilização desta Energia nunca é abordada.
Cada um desses temas, contudo, não pode ser compreendido como um tema isolado, já que há inúmeras sobreposições e inter-relações entre os objetos que se pretende estudar. Com certeza, eles somente completam seu sentido por meio de suas interseções e de suas relações com outras áreas do conhecimento (BRASIL, 2006, p. 71).
Em relação às suas aplicações, as armas nucleares geralmente não são entendidas em sua totalidade. Assim como a pólvora revolucionou a maneira de fazer guerra, a bomba nuclear também foi uma grande revolução: com ela é possível dissuadir e impor vontades sobre os não detentores desta tecnologia. Portanto, é de grande importância as reflexões política, social e ética subjacentes a essa questão.
Atualmente, é fundamental que um cidadão saiba se posicionar sobre os novos projetos sociais e científicos que podem mudar a sua vida e que, de modo geral, irá habilitá-lo para o exercício pleno da cidadania. Esta tal apropriação do exercício da cidadania possibilita ações ativas e críticas na sociedade e continuidade dos estudos ao longo da vida. Neste sentido, deve-se entender os argumentos contra e a favor nas aplicações da energia nuclear, relembrando que “[...] apesar de todas as suas vantagens, a produção de energia através da fissão nuclear causa os seus impactos ambientais e tem suas desvantagens” (PERUZZO, 2012, p. 179).
A geração da Energia Nuclear é bastante expressiva no cenário mundial, respondendo por 18% do total de acordo com os dados de 2019 da Agencia Internacional de Energia (IEA). É importante destacar que o uso deve ser consciente, evitando exposições desnecessárias, pois
15
dependendo do nível podem levar a morte dos indivíduos ou causar diversos problemas de saúde. Conforme exposto nas PCNEM em BRASIL (1998), não se trata de apresentar ao jovem estudante a Física para que ele simplesmente seja informado de sua existência, mas para que esse conhecimento se transforme em uma ferramenta a mais em suas formas de pensar e agir.
A compreensão dos modelos para a constituição da matéria deve, ainda, incluir as interações no núcleo dos átomos e os modelos que a ciência hoje propõe para um mundo povoado de partículas. Mas será também indispensável ir mais além, aprendendo a identificar, lidar e reconhecer as radiações e seus diferentes usos. Ou seja, o estudo de matéria e radiação indica um tema capaz de organizar as competências relacionadas à compreensão do mundo material microscópico (BRASIL, 1998, p. 76).
Logo, há necessidade de que os estudantes sejam apresentados aos conceitos que direcionem a compreensão dos mecanismos que estão envolvidos na produção de energia, sobretudo o uso da fissão nuclear. Neste sentido:
[...] é fundamental esclarecer o motivo de fomentar o uso da fissão nuclear, em um primeiro momento no Brasil. Fissionar os radioisótopos é uma das medidas adotadas por outros países, pois consagra o viés alternativo de se produzir eletricidade de grande monta, já que a tecnologia é mais acessível e consistente. O Brasil faz uso da fissão em Angra I e II, porém, a sociedade carece de informação e de um mínimo de compreensão acerca da energia nuclear, perdurando o medo que se mostra paralisante para a aplicação deste formato de produção de energia (SOUZA; LIMA, 2019, p. 65).
A produção de energia através de processos nucleares não poderá ser apenas uma alternativa estanque, isto é, que seja apenas idealizada. A população, sobretudo os estudantes no decorrer do eixo de Energia Nuclear, precisa ser formada com argumentos que vão além da produção de energia por vias deste mecanismo, mas que ela é uma alternativa ao cenário atual, ou seja, um ambiente em que os recursos para a produção de outros tipos de energia estão se esgotando. Para maior compreensão, (SOUZA e LIMA, 2019) nos alerta que:
A humanidade requer uma mudança, não só na forma de se gerar a energia elétrica, mas, na maneira pela qual reconhece os recursos disponíveis no planeta terra. O meio ambiente encontra-se, dentro de alguns parâmetros, é comprometido em sua sustentabilidade e países como o Brasil precisam fornecer eletricidade a milhares de pessoas, o que exige o aperfeiçoamento de todo o ciclo existente, desde a geração até o consumo energético. Assim, a hipótese aponta a fissão nuclear como uma forma de energia alternativa eficiente, permitindo o aproveitamento de um potencial gerador significativo face aos entraves naturais, com impactos negativos conhecidos e passíveis de mitigação, atendendo, portanto, às necessidades do desenvolvimento sustentável e da universalidade do acesso à energia (p. 65).
16
[...] é forma alternativa de produção de energia. Ainda é subutilizada no Brasil, mas, que retrata propósitos sustentáveis, em relação às externalidades verificadas na geração de eletricidade. É uma forte candidata a mitigar os apagões brasileiros, chancelando o acesso universal à eletricidade e possibilitando a tão almejada estabilidade no abastecimento, fomentando investimentos para o país (SOUZA e LIMA, 2019, p. 65).
É importante ressaltar o problema relacionado ao armazenamento de rejeitos radioativos, pois há uma demora de muitos anos para decair a níveis aceitáveis e ainda se acrescenta a necessidade de um local adequado para armazenamento.
As barras são carregadas em contêineres blindados às radiações e, então são levadas ou até um local de armazenagem definitiva – onde devem permanecer isoladas de contato com pessoas e animais – ou um laboratório radioquímico de processamento. Na usina de reprocessamento, o Urânio não consumido, ainda útil, e o Plutônio formado são recuperados e os rejeitos radioativos são concentrados e enviados ao isolamento definitivo (MARQUES, 2009, p. 118).
Inseridos nas prerrogativas expostas acima, o presente trabalho de pesquisa objetivou propor possíveis abordagens sobre o tema da energia nuclear no entorno da escolaridade básica. O documento foi dividido em três capítulos. No capítulo 1 nos propusemos a delinear um embasamento didático-pedagógico básico associado aos conceitos de contextualização, interdisciplinaridade, intradisciplinaridade, transdisciplinaridade e transposição didática.
No capítulo 2 buscamos fazer uma revisão dos fundamentos teóricos essenciais para o entendimento da energia nuclear para o segmento do Ensino Médio.
Por fim, no capítulo 3 foram abordadas algumas aplicações da energia nuclear com indicações de como se abordar no ensino básico.
17
CAPÍTULO 1 - FUNDAMENTOS PEDAGÓGICOS
Neste capítulo, apresentamos alguns conceitos didáticos-pedagógicos fundamentais para o embasamento teórico do presente trabalho de conclusão de curso que se situa na possibilidade da exploração do tema da energia nuclear na escolaridade básica.
A Base Nacional Curricular Comum destaca que o ensino das disciplinas em geral e, em particular, o ensino das Ciências necessita estar:
[...] inserido em um processo contínuo de contextualização histórica, social e cultural, no qual os conhecimentos ganham sentido para os/as estudantes, uma vez que contribuem efetivamente para compreender, explicar e intervir no mundo em que vivem (BRASIL, 2016, p. 156).
O referido documento exemplifica em seguida sobre um tipo de energia do cotidiano, ao mencionar que os “[...] conhecimentos da Física que auxiliam na compreensão da vida humana contemporânea, inconcebível sem a eletricidade em motores, em lâmpadas e em sistemas de comunicação e informação” (BRASIL, 2016, p. 207).
Em síntese, o ensino das várias ciências necessita estar inserido em contextos. Os Parâmetros Curriculares Nacionais do Ensino Médio ressaltam que a contextualização não pode se reduzir a elaboração de “[...] novas listas de tópicos de conteúdo, mas sobretudo de dar ao ensino de Física novas dimensões. Isso significa promover um conhecimento contextualizado e integrado à vida de cada jovem” (BRASIL, 2000, p. 23).
E, em se considerando o Programa Nacional do Livro Didático, a contextualização é “[...] entendida como o instrumento que permite conectar o conteúdo específico a ser ensinado às experiências do cotidiano ou aos conhecimentos já obtidos pelos estudantes, pleiteando-se assim uma aprendizagem significativa” (BRASIL, 2019, p. 10).
Outro conceito pedagógico importante para o presente trabalho se faz com relação ao ato interdisciplinar, que consiste em um “[...] tema, objeto ou abordagem em que duas ou mais disciplinas intencionalmente estabelecem nexos e vínculos entre si para alcançar um conhecimento mais abrangente, ao mesmo tempo diversificado e unificado” (COIMBRA, 2000, p. 58).
A fragmentação dos conhecimentos gera dificuldades aos alunos devido as vivências fora da escola não estarem separadas, delimitadas e definidas em um único só conhecimento. Vemos nas Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais descritos em BRASIL (2006), que a “[...] natural relação entre interdisciplinaridade e contexto
18
pode levar à conclusão apressada de que seria mais difícil a presença do contexto no aprendizado de uma única disciplina” (p. 32).
Na especificidade da área da Física, o conhecimento expresso:
[...] na forma de leis, conceitos, grandezas e relações matemáticas só ganha significado se utilizado em problemáticas reais, tornando-se, assim, um instrumento de participação mais consciente e consistente na sociedade, propiciando, por exemplo, avaliar os efeitos biológicos da radiação em um exame de radiografia ou tomografia, o uso de diferentes fontes de energia elétrica e seus efeitos ambiental e socioeconômico ou mesmo compreender o funcionamento de eletrodomésticos e os cuidados que devem ser tomados em sua instalação e utilização (BRASIL, 2016, p. 205).
FAZENDA (2010) aponta outro importante fator ao mencionar que:
[...] é preciso integração [no] momento da interdisciplinaridade em que há a organização das disciplinas, num programa de estudos, é o conhecer e relacionar conteúdos, métodos e teorias, é integrar conhecimentos parciais e específicos em busca da totalidade sobre o conhecimento (p. 32).
Explicar o conteúdo na perspectiva de diferentes disciplinas e suas relações só contribui para enriquecer o conhecimento. Especialmente, a abordagem do tema energia no Ensino Médio permite:
[...] os/as estudantes, além de compreenderem sua transformação e conservação, do ponto de vista da Física, da Química, da Biologia, podem também percebê-lo na Geografia, sabendo avaliar o peso das diferentes fontes de energia em uma matriz energética, considerando fatores como a produção, os recursos naturais mobilizados, as tecnologias envolvidas e os impactos ambientais (BRASIL, 2016, p. 150).
Passamos agora a comentar sobre a transdisciplinaridade, onde as fronteiras das disciplinas são rompidas, pois “[...] é o que dá um passo além da interdisciplinaridade no tratamento teórico de um tema ou objeto” (COIMBRA, 2000, p. 58).
Na transdisciplinaridade as fronteiras das disciplinas são praticamente imaginárias, visto que “[...] diz respeito àquilo que está ao mesmo tempo entre as disciplinas, através das diferentes disciplinas e além de qualquer disciplina. Seu objetivo é a compreensão do mundo presente, para o qual um dos imperativos é a unidade do conhecimento” (NICOLESCU, 2000, p. 2).
Outra contribuição para o tema da energia nuclear se situa na intradisciplinaridade, que se faz possibilitando a articulação entre as seções de uma matéria, favorecendo os significados
19
dos conceitos, e evitando a desintegração das ideias. Nesse âmbito, (COIMBRA, 2002) cita que o ato:
[...] intradisciplinar é tratado no exclusivo âmbito interno de uma disciplina. O escopo seria o aprofundamento de um aspecto inerente a uma ciência dada. Os conhecimentos são revolvidos no âmago de um determinado saber; não há, intencionalmente, preocupação com outros saberes de natureza diversa (p. 57).
Em síntese, observamos que o uso da contextualização, interdisciplinaridade, intradisciplinaridade e transdisciplinaridade são importantes elementos que podem ser explorados no ensino da Física da escolaridade básica, principalmente se a intenção for oferecer um ensino que permeie entre os contíguos de um conteúdo.
Um dos meios de explorar didaticamente o tema da energia nuclear se faz com a elaboração de material didático, conforme expõe Cruz (2016). De acordo com a autora, para que um texto seja utilizado de maneira satisfatória ele precisa estar de acordo com o público alvo que se deseja atingir. Neste caso, o material didático deveria ser repensado para que alunos e professores consigam utilizá-lo de maneira proveitosa.
A adaptação que os conteúdos sofrem até chegar ao Ensino Médio é, muitas vezes, considerada como uma simplificação e criticada, pois se acredita que nesses casos não chegam ao ensino médio a totalidade do conteúdo e ainda simulam um conteúdo fragmentado e descontextualizado (CRUZ, 2016, p. 22).
Há pontos de suma relevância nos Paramentos Curriculares Nacionais, conforme BRASIL (2000). Nos referimos a produção e análise crítica de diferentes tipos de textos, como aqueles que se inserem na investigação e compreensão, de onde emerge o uso de ideias, conceitos, leis, modelos e procedimentos científicos associados a essa disciplina.
Ainda, o referido documento faz menção aos textos provenientes da contextualização sociocultural, ou seja, aqueles onde ocorre a inserção do conhecimento disciplinar nos diferentes setores da sociedade, suas relações com os aspectos políticos, econômicos e sociais de cada época e com a tecnologia e cultura contemporâneas deste o início do século XXI.
Para se efetivar os diferentes tipos de texto na escolaridade básica torna-se necessário realizar adaptações no conhecimento produzido pela ciência para que sejam utilizáveis na instituição escolar. É possível apontar a transposição didática como uma ferramenta indispensável para tratar conteúdos de Física no ensino médio, uma vez que o público alvo não
20
é formado por especialistas com conhecimento aprofundado sobre determinado assunto e que necessitam de uma abordagem diferenciada.
Se o saber sábio fosse abordado em sua essência nesta etapa de ensino, possivelmente, não apresentaria potencialidades, pois não estaria de acordo com o nível intelectual e de maturidade dos alunos, implicando no surgimento de dificuldades básicas (CRUZ, 2016, p. 25).
Conforme os Parâmetros Curriculares Nacionais, explicitado em Brasil (1998), o Ensino Médio é organizado e direcionado para manifestar a busca de interdisciplinaridade e contextualização.
No caso da Física Nuclear, Peron (2016) relata que uma das possíveis formas de se contornar a complexidade da abordagem dos conteúdos inerentes que possam ser trabalhados na escolaridade básica é efetuando uma transposição didática criteriosa aliada ao uso de modelos e simulações computacionais.
Uma boa maneira de apoiar a compreensão dos conceitos abordados no ensino seria elaborar um material didático inserido na possibilidade de se efetivar uma transposição didática, em forma de texto e imagens, assim como adaptado para uma linguagem mais acessível à sala de aula, conforme ressalta Cruz (2016).
Melo (2014) aponta que por meio da transposição didática é possível adequar os conteúdos de Física, por meio da História da Ciência para o ambiente escolar favorecendo o rompimento da imagem neutra e empirista da ciência, presente nos livros.
Montedo (2017) contribui dizendo que o ideal é que a transposição didática construa uma espécie de linhas de transição dos assuntos a serem estudados que facilitaria o desenvolvimento de alguns conhecimentos fundamentais à compreensão do funcionamento de uma usina nuclear. Para Silva (2019), o ensino de subtemas da Física Nuclear ao apresentarem temas relevantes para um país deveriam ser realizados em um delicado processo de transposição didática, uma vez que seu ensino envolve um elevado grau de formalismo matemático e abstração conceitual.
No próximo capítulo, tratamos de apresentar os principais conceitos para um bom entendimento sobre a Energia Nuclear.
21
CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTOS CIENTÍFICOS
Para dar prosseguimento a essa monografia, neste capítulo iremos ilustrar alguns conceitos fundamentais da área de Física que são adjacentes a energia nuclear: energia, átomo, partícula subatômica (hádrons, quarks e léptons), relação entre massa e energia, estabilidade nuclear (força forte e força fraca), fissão nuclear, fusão nuclear, reação em cadeia.
2.1- Energia
Energia é um número que associamos a um sistema de um ou mais objetos. Se uma força afeta um dos objetos, fazendo-o, por exemplo, entrar em movimento, o número que descrevera energia do sistema varia (Halliday, 2012).Após um número muito grande de experimentos, os cientistas e engenheiros confirmaram que, se o método através do qual atribuímos um número à energia for definido adequadamente, esse número pode ser usado para prever os resultados de experimentos.
O conceito de energia é um dos mais importantes tópicos da Ciência e da Engenharia. Na vida cotidiana, pensamos em energia com relação a combustível para o transporte e o aquecimento, eletricidade para iluminação e aparelhos e alimentos para consumo. Essas ideias, entretanto, não definem verdadeiramente esse termo. Elas meramente nos dizem que combustíveis são necessários para realizar um trabalho e que nos fornecem algo que chamamos de energia (SERWAY, 2014, p. 163).
Segundo Feynman (2009), a energia pode ser classificada em diversos tipos, são eles: gravitacional, cinética, térmica, elástica, elétrica, química, radiação, nuclear e da massa. Ainda, a energia pode se manifestar de várias formas, e todas estas respeitam a lei de conservação. Sendo assim, a energia se mantém em sua forma ou se transforma em outro tipo de energia, mas nunca se cria ou se perde.
Existe um fato, ou se você preferir, uma lei que governa todos os fenômenos naturais que são conhecidos até hoje. Não se conhece nenhuma exceção a essa lei – ela é exata até onde sabemos. A lei é chamada de conservação da energia. Nela enunciasse que existe uma certa quantidade, que chamamos de energia, que não muda nas múltiplas modificações pelas quais a natureza passa. Essa é uma ideia muito abstrata, por que é um princípio matemático; ela diz que existe uma quantidade numérica que não muda quando algo acontece (FEYNMAN, 2009, p. 1-4).
Quando uma bola cai de alguma altura e se choca ao chão ocorrerá conversão de energia potencial em térmica advinda do atrito com o ar e no choque com o chão, terá energia mecânica com o choque no chão transformando em ondas sonoras, energia elástica da deformação que ocorrera no objeto.
22 2.2- O Átomo
Segundo Camargo (2006), foi Demócrito de Abdera (ca. 460 a.C. - 370 a.C.), um filosofo
pré-socrático e discípulo de Leucipo de Mileto, que defendia que todos os elementos da
natureza eram constituídos por partículas (ou elementos) infinitesimais inseparáveis e indestrutíveis, chamados átomos, que em grego significava não-divisíveis.
John Dalton, no século XVIII, havia retomado a idéia da indivisibilidade do átomo de Demócrito de Abdera. Foi Dalton, no livro ‘Novo sistema filosófico da Química’ que acreditava que a matéria é constituída de átomos, que eram minúsculas partículas indivisíveis e indestrutíveis. Atualmente esta concepção de átomo é conhecida como modelo bola de bilhar e é tida como a primeira teoria atômica moderna. Para Dalton:
- Toda matéria é constituída por partículas microscópicas chamadas átomos. - Os átomos de um determinado elemento são iguais.
- Átomos de elementos diferentes são também distintos e podem ser identificados pela sua massa atômica relativa.
- Uma determinada substância pode ser formada pela combinação de dois ou mais átomos, sendo que, para essa substância, a combinação atômica em espécie e quantidade será sempre a mesma.
- Átomos são partículas indivisíveis e de ocorrência natural, não podem ser criados ou alterar-se sua formação.
- O que acontece em reações químicas é a alteração na combinação entre os átomos (MUNDO EDUCAÇÃO, s.d., p. 1).
No final do século XIX, Joseph John Thomson descobriu a existência do elétron, por via experimental e reflexão teórica, usando uma ampola de Crookes. Thomsom propôs o atualmente denominado modelo pudim de passas ou modelo pudim de ameixas. Nesse modelo, o átomo seria uma esfera não maciça de carga positiva2, onde estavam incrustadas as partículas
negativas (os elétrons, descoberto por Thomsom em 1896), de modo que a carga elétrica do átomo total é nula (PORTO, 2013).
A primeira partícula constituinte do núcleo foi identificada por Ernest Rutherford em 1919. São os prótons, que tem carga elétrica positiva de igual valor à carga do elétron, mas de sinal trocado, e sua massa é aproximadamente cerca de 1836 vezes maior que a massa do elétron (Galleti, 2010).
2 Foi o físico Elgen Goldstein (1850-1930) que descobriu os raios catódicos (ou raios canais) em um experimento na ampola de Crookes, em 1886. Mas foi Ernest Rutherford, em uma experiência com gás hidrogênio, que confirmou a existência de partículas positivas, que ele denominou de prótons, que, em grego denota primeiro.
23
As medidas da relação massa/carga dos núcleos em espectrômetros de massa mostravam que havia um número maior de constituintes contribuindo para a massa3do que para a carga do
núcleo (Galleti, 2010).
Em 1920 Rutherford propôs a existência de uma partícula neutra no núcleo, que chamou de nêutron. Esta foi descoberta em 1932 por Chadwick (PERUZZO, 2012, p. 23).
De acordo com Goldemberg (1988) o modelo atômico simplificado de Rutherford é:
[...] formado por um núcleo central, onde existem dois tipos de partículas: os prótons e os nêutrons. No entorno do núcleo há uma região chamada eletrosfera, onde se encontra outro tipo de partícula, o elétron. O próton tem carga elétrica positiva. Os elétrons carga negativa. Os nêutrons não possuem carga elétrica (p. 9).
Nas figuras 01 e 02 indicamos exemplos de algumas estruturas atômicas.
Figura 1: Alguns Átomos Diferentes. Figura 2: Diferentes Isótopos do Hidrogênio.
Fonte: CNEN (2012, p. 11).
O átomo nem sempre tem o mesmo número de prótons, nêutrons e elétrons. Esses números sofrem variação o que caracteriza os elementos diferentes encontrados na natureza. O número de prótons é o principal fator que determina o elemento químico.
Um átomo de um determinado elemento é caracterizado pelo número de prótons contidos em seu núcleo. Por exemplo, o átomo de hidrogênio é o mais simples que existe: ele possui apenas um próton em seu núcleo. Já o átomo de gás hélio possui dois prótons; o carbono seis prótons, o ferro 26; o chumbo 82; o átomo de urânio 92 (GOLDEMBERG, 1988, p. 9).
Em um átomo neutro, o número de prótons é igual ao número de elétrons. Núcleos com o mesmo número de prótons e um número diferente de nêutrons são chamados de isótopos. Exemplo o carbono C12 , C13 e C14 os quais quimicamente são iguais.
3 Espectrômetro de Massa: Seleciona por colimação partículas de diferentes massas, que, quando ionizadas e ao passarem por um campo magnético, seguem caminhos diversos segundo a ação da força de Lorentz, permitindo para diferentes valores do campo a identificação das partículas colimadas (RODITI, 2005, p. 85).
24
Figura 3: Gráfico dos nuclídeos conhecidos.
Fonte: HALLIDAY (2012, p. 299).
A cor verde indica os nuclídeos estáveis; a cor marrom clara os radionuclídeos. Os nuclídeos estáveis de pequena massa têm aproximadamente o mesmo número de nêutrons e prótons, mas os nuclídeos pesados têm um excesso de nêutrons. Para maior visualização deste fenômeno, a figura 3 mostra que não existem nuclídeos estáveis com Z > 83 (bismuto).
Podemos utilizar uma ferramenta computacional nessa temática (ver figura 4).
Figura 4: Simulação de construção de átomos em PHET.
25
Na figura 04 destacamos o uso de uma ferramenta educacional para o aprendizado de Energia Nuclear por meio de PHET que simula o funcionamento de um reator nuclear.
Esta simulação está disponível no endereço eletrônico
https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/build-an-atom. Inicialmente, o ideal é que o aluno tenha a oportunidade de fazer uma exploração dos recursos que a plataforma de simulações oferece. Reconhecida as ferramentas das simulações, o aluno poderá montar átomos adicionando prótons, nêutrons e elétrons. Seria interessante para introduzir os conceitos de isótopos, número atômico e número de massa e também o conceito de estabilidade ou instabilidade nuclear o qual é determinado pela competição entre a força de atração nuclear entre os prótons e os nêutrons e a força de repulsão elétrica entre os prótons.
2.3- Algumas partículas subatômicas
No começo dos anos 1940, várias “[...] novas” partículas foram descobertas em experimentos que envolviam colisões de alta energia entre as já conhecidas (SERWAY, 2013, p. 367). A tabela 01 indica as propriedades de algumas partículas subatômicas descobertas mais recentemente.
Tabela 1: Algumas partículas e suas propriedades
Fonte: adaptado de (SERWAY 2014, p. 373).
Todas as partículas podem ser classificadas em duas categorias amplas - os hádrons e léptons - que passamos a descrever a seguir.
26
Os Hádrons (mésons e bárions) são partículas que interagem por meio de força forte (e por outras forças fundamentais) são chamadas hádrons. As duas classes de hádrons – os mésons e os bárions - se distinguem por suas massas e spins Mésons têm, todos, spin zero ou inteiro (0 ou 1)4.
Atualmente, acredita-se que os hádrons não são partículas elementares, mas compostos de unidades mais elementares chamadas quarks (Serway, 2014).
Em 1963, Gell-Mann e George Zweig (1937) propuseram, de modo independente, um modelo para a subestrutura dos hádrons. De acordo com este modelo, todos os hádrons são compostos de duas ou três partes elementares chamadas quarks1. Nesse âmbito,
(MOREIRA, 2009) nos diz que no Modelo Padrão os:
[...] léptons e quarks são partículas verdadeiramente elementares, no sentido de não possuírem estrutura interna. Partículas que tem estrutura interna são chamadas de hádrons; são constituídas de quarks: bárions quando formadas por três quarks ou três antiquarks5, ou mésons quando constituídas por um quark e um antiquark (p. 1).
Por outro lado, os léptons (termo que provém do grego leptos, que significa ‘pequeno’ ou ‘leve’) são partículas que interagem por meio da força fraca e eletromagnética. Os léptons mais conhecidos são os elétrons, o múon e o taú. Todos os léptons têm spin 1/2. “Diferente dos hádrons, que têm tamanho e estrutura, léptons parecem ser verdadeiramente elementares, o que significa que não têm estrutura e são do tipo pontuais” (SERWAY, 2014, p. 374).
2.4- Relação entre Massa e Energia
Uma importante relação entre massa e energia foi proposta por Albert Einstein é sintetizada como 𝐸 = 𝑚 . 𝑐² onde m é a massa, c é a velocidade da luz no vácuo ao quadrado seria igual a energia. A destruição de uma quantidade insignificante de matéria poderia produzir uma quantidade assombrosa de energia, equivalente à massa multiplicada pelo quadrado da velocidade da luz (𝐸 = 𝑚 . 𝑐²).
Assim pela destruição da massa m, obtém-se a energia; multiplicada massa m pelo quadrado da velocidade da luz, representada na equação em metros por segundo, pelo c, encontra-se a quantidade de energia liberada (GUILHERME, 1957, p. 23).
4O termo ‘spin’ surgiu da ideia de que os elétrons giravam em torno de si mesmo. O spin (momento magnético) corresponde a um número quântico de partículas carregadas, que está associado a valores +1/2 e -1/2.
27
Tabela 2: Energia Equivalente de Alguns Objetos
Fonte: HALLIDAY (2012, p. 163).
Halliday (2012) explica que a energia associada à massa de um corpo é chamada de Energia de Repouso. O nome está ligado ao fato de que ‘E’ é a energia que um objeto possui quando está em repouso, simplesmente porque possui massa.
As energias em geral são medidas em elétrons-volts6 (ou múltiplos dessa unidade), de
acordo com a seguinte definição: 1 𝑒𝑉 = 1, 602 176 462 × 10−19 𝐽(p. 163).Um dos
múltiplos utilizado 1 𝑀𝑒𝑉 = 106 𝑒𝑉 = 1, 602 176 462 × 10−13 𝐽.
Referente à energia atômica, GALETTI (2010) nos diz que:
Sabendo que a velocidade da luz é 𝑐 ≈ 300.000.000 𝑚/𝑠, um corpo com massa de 1 quilograma encerra uma quantidade de energia 𝐸 = 𝑚𝑐2= 1 𝑘𝑔 .(300.000.000)𝑠2 2𝑚2≈ 90.000.000.000.000 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠.Isto é equivalente ao consumo Energético Anual de cerca de 1 milhão de pessoas (p. 33).
Os processos atômicos são todos os que referem a atração dos átomos uns pelos outros, e da interação elétrons e prótons. Já os processos nucleares são os que ocorrem no núcleo do átomo no rearranjo dos prótons e nêutrons, ou seja, decaimento alfa7, decaimento beta8,
decaimento gama9, fusão e a fissão nuclear.
6 Gell-Mann tomou a palavra quark do trecho “Three quarks for Muster Mark” do livro Finnegans Wake, de James Joyce, onde, no modelo de Zweig, a partes eram chamados “azes”.
7 Alguns nuclídeos decaem emitindo uma partícula alfa (núcleo de hélio, 4He) (HALLIDAY, 2012, p. 319). 8 No decaimento beta, o núcleo emite um elétron ou um pósitron, juntamente com um neutrino (HALLIDAY, 2012, p. 319).
9No decaimento gama, um núcleo em estado excitado decai até seu estado fundamental e emite um raio gama (SERWAY, 2013, p. 328).
28
Comparando a energia atômica com a nuclear temos que “[...] 𝐸𝑁
𝐸𝐴≈ 10
6. Os processos
nucleares são cerca de um milhão de vezes mais energéticos do que os atômicos” (GALETTI, 2010, p. 33).
Assim vemos a importância da exploração da energia nuclear. O que faz o núcleo ser estável ou instável são a força forte e a força fraca. Por isso vamos falar somente sobre elas. A força nuclear forte tem interação de curto alcance e atua entre nêutrons e prótons.
2.5- Força Forte e Força Fraca
Todos os fenômenos naturais podem ser descritos por quatro forças fundamentais entre as partículas (Nuclear ou Força Forte, Eletromagnética, Força Fraca e Gravitacional).
A interação forte é uma força atrativa que atua entre prótons, nêutrons e partículas chamadas mésons. Essa força atua somente em distâncias muito pequenas. Ela é muito forte entre núcleos que estão afastados cerca de 10-15m, mas precisamente nula para separações maiores do que esta. Assim, a interação nuclear forte é uma força de curto alcance (PERUZZO, 2012, p. 34).
Quanto a força nuclear fraca ela tem alcance infinito, que cai exponencialmente com a distância. No núcleo atômico essa força atua somente entre os prótons, já que os nêutrons são eletricamente neutros. Ela é uma força repulsiva devido ao fato que os prótons têm a mesma carga elétrica. Sendo que o núcleo atômico é constituído de prótons e nêutrons, o mesmo não poderia manter-se coeso devido a existência da força de repulsão elétrica entre cargas, conforme descreve Peruzzo (2012).
Essas forças têm efeitos importantes para a consistência do núcleo. Enquanto que a força forte tem uma magnitude maior que a força fraca, ela tem um alcance curto. Por outro lado, a força fraca tem magnitude menor e, por ter um alcance infinito, ela irá interagir com todos os prótons.
A tabela 3 indica a intensidade relativa e o alcance envolvendo os quatro tipos de forças fundamentais entre as partículas (Nuclear ou Força Forte, Eletromagnética, Força Fraca e Gravitacional).
29
Tabela 3: Interações de partículas
Fonte: Adaptado de (SERWAY 2014, p. 368). 2.6- Fissão e Fusão Nuclear
Em um átomo com número grande de prótons e nêutrons a resultante das interações de natureza fraca supera a magnitude da resultante da força forte. Como a resultante das forças fracas é repulsiva isso poderia causar a quebra do núcleo.
Existe repulsão elétrica entre cada par de próton no núcleo, mas não existe uma força nuclear atrativa entre cada um destes pares. Cada próton no núcleo do urânio exerce repulsão sobre cada um dos 91 outros prótons, tanto os que estão afastados como os que estão próximos. No entanto, cada próton e cada nêutron exerce uma atração nuclear considerável somente sobre aqueles núcleons (prótons e nêutrons) que estão próximos a ele. Todos os núcleons que possuem número atômico maior que 82 são instáveis. (PERUZZO, 2012, p. 35).
Devido à instabilidade nuclear dos elementos com número atômico superior a 82, existe a possibilidade de se rompê-lo. O processo de quebra do núcleo atômico é denominado fissão nuclear e pode ocorrer naturalmente ou artificialmente em laboratório através de um método que chamamos de bombardeamento de nêutron.
Em 1939 Bohr e Wheele escreveram um artigo detalhado sobre fissão nuclear, o qual ficou conhecido como teoria de Bohr-Wheele. De acordo com essa teoria, ao ser atingido por 1 nêutron 1 núcleo de 235Udivide-se em 2 outros núcleos, produzindo nêutrons livres e liberando grande quantidade de energia. A fissão nuclear envolve o delicado equilíbrio entre atração nuclear e a repulsão elétrica entre os prótons no interior do núcleo. Na maioria dos núcleos, as forças nucleares são dominantes. No entanto, no 235U esse domínio é tênue (PERUZZO, 2012, p. 110).
30
Figura 5: Os vários estágios da fissão, de acordo com o modelo coletivo de Bohr e Wheeler.
Fonte: HALLIDAY (2012, p. 331).
Outro processo que pode ocorrer no núcleo atômico é chamado de fusão nuclear. Ela ocorre quando partículas viajando em alta velocidade ao se colidir se unem e formam núcleos instáveis, que por sua vez sofre também o processo de fissão. A figura 06 apresenta uma fusão de núcleos leves (colisão em altas velocidades) (GALETTI, 2010, p. 33).
Um exemplo disso ocorre no Sol. Galetti (2010) explica que o sol é o resultado da condensação, ocasionada pela atração gravitacional, de uma nuvem gasosa constituída essencialmente por prótons. A compressão gravitacional funciona como estopim, aproximando os prótons até que ocorram as condições para dar início à fusão, com a consequente liberação de energia.
A fusão induzida por processo térmico, quer dizer, para que núcleos se juntem formando um terceiro, é necessário imprimir-lhes energia cinética suficiente para que vençam a força de repulsão coulombiana entre elas (devido aos prótons) e entrem na distância de atuação da força atrativa nuclear. Por exemplo, a fusão mais fácil de se obter é a dos isótopos pesados do hidrogênio – o deutério e o trítio (BARROSO, 2010, p. 16).
31
A energia equivalente a uma unidade de massa atômica (1 u) é 931, 494 013 MeV.
Figura 6: O ciclo próton-próton responsável pela produção de energia no Sol.
Fonte: HALLIDAY (2012, p. 341).
No processo, quatro prótons se fundem para formar uma partícula alfa He4 , com liberação
de energia10.
Os átomos tendem a seguir um padrão como vemos na Figura 07. Considere o Ferro (Fe) como átomo mais estável, os que estiverem à esquerda são propensos a fusão, e os que estiverem à direita são propensões a sofrer fissão havendo a quebra do núcleo. Desse modo, a “[...] estabilidade é ditada pelo equilíbrio entre forças nucleares entre os pares p-p, p-n e n-n e a força de repulsão colombiana entre prótons” (OKUNO, 1998, p. 75).
Figura 7: Energia de ligação por núcleon em função do número de massa A.
Fonte: HALLIDAY (2012, p. 302).
32
O gráfico da energia de ligação por núcleons em função do número de massa mostra que os nucleões de massa intermediária são os mais estáveis; assim, tanto a fissão de núcleos pesados como a fusão de núcleos leves acarretam uma liberação de energia.
No caso de núcleos estáveis, a força nuclear domina a de repulsão colombiana, mantendo os núcleons unidos. Para o caso dos núcleos leves estáveis, observa-se que N = Z. À medida que Z cresce, o número de nêutrons torna-observa-se maior do que o de prótons, porque à medida que o número de prótons aumenta, a intensidade da força de repulsão aumenta, podendo causar o rompimento11 do núcleo. Para manter o núcleo coeso, são necessários mais nêutrons, que experimentam somente força nuclear atrativa (OKUNO, 1998, p. 75).
2.7- Radiação
Segundo Okuno E Yoshimura (2010) radiação é energia em trânsito, de maneira similar que o calor é energia térmica em trânsito. A “[...] radiação é uma forma de energia, emitida por uma fonte e transmitida através do vácuo, do ar ou de meios materiais” (OKUNO e YOSHIMURA, 2010, p. 11).
De acordo com OKUNO E YOSHIMURA (2010) “[...] consideram-se radiações [as] partículas atômicas ou subatômicas energéticas, tais como partículas α, elétrons, pósitrons, prótons, nêutrons etc., denominadas radiações corpusculares e as ondas eletromagnéticas” (p. 11).
Sobre isto, OKUNO E YOSHIMURA (2010) explicam que “[...] uma onda eletromagnética é constituída de campo elétrico e campo magnético oscilantes, perpendiculares entre si, que se propagam no vácuo com velocidade da luz” (p. 11).
11 Decaimento: Mudança de um nuclídeo através de emissão espontânea de radiação como alfa, beta, gama ou captura de um elétron. O produto final é um núcleo menos energético, mas estável, onde cada processo de decaimento tem uma meia-vida definida. (GALETTI, 2010, p. 112).
33
Figura 8: O espectro eletromagnético.
Fonte: HALLIDAY (2012, p. 2).
A para as diferentes faixas do espectro eletromagnético na Figura 8 representa a variação do comprimento de onda e da frequência. A interação da radiação com a matéria produz aquecimento por meio de processos microscópicos de movimento de moléculas, como rotação e torção em meio viscoso.
As interações entre a radiação e os materiais dependem das características da radiação e dos átomos irradiados. Para o entendimento dos mecanismos das interações da radiação com a matéria, duas grandes classificações são feitas, fundamentadas na modelagem utilizada para descrevê-las. A primeira classificação é nos grupos radiação diretamente ionizante, constituída de partículas com carga elétrica e radiação indiretamente ionizante (radiação sem carga elétrica). A segunda classificação divide o primeiro grupo em partículas carregadas rápidas pesadas e leves, e o segundo, em fótons e nêutrons. No primeiro grupo, há ação de forças coulombianas entre a carga da radiação e as cargas do meio, caracterizadas pelo longo alcance; no segundo, as interações devem-se à ação de campos eletromagnéticos que atuam sobre partículas carregadas do meio, no caso dos fótons, e à ação da força nuclear forte sobre prótons e nêutrons de núcleos atômicos, no caso dos nêutrons (OKUNO; YOSHIMURA, 2010, p. 113).
No caso da interação ionizante, como a radiação ultravioleta, raios X, radiação gama, em ordem crescente de frequência, tem energia para ionizar o meio.
34
A radiação gama é um tipo de radiação eletromagnética de frequência muito alta. A radiação gama pode ser produzida por elementos radioativos ou por processos subatômicos, como a aniquilação de um par de pósitrons- elétrons12.
Devido às altas energias os raios gama é um tipo de radiação ionizante capaz de penetrar profundamente na matéria. Assim, eles podem causar sérios danos ao núcleo das células.
2.8- Reação em cadeia
No processo de fissão, o Átomo de 235U acabam liberando nêutrons. Por sua vez, esses nêutrons podem colidir com outros átomos de 235U nas proximidades e acabar ocorrendo uma reação em cadeia como vemos na Figura 9 a seguir.
Fonte: SERWAY (2014, p. 344).
Esta indução a fissão com o bombardeamento de nêutrons nos núcleos de 235U, resulta em uma reação de cadeia.
Quando o 235Use fissiona, um nêutron incidente resulta em uma média de 2, 5 nêutrons emitidos por ocorrência. Estes podem ativar a fissão de outros núcleos. Como, nesta ocorrência, mais nêutrons são produzidos do que absorvidos, existe a possibilidade de uma reação em cadeia sempre progressiva. Cálculos mostram que, se a reação em cadeia não for controlada
12A radiação gama é também produzida em fenômenos astrofísicos de grande violência, como algumas explosões que foram observadas na Via Láctea , assim como na emissão de energia do nosso Sol.
35
(isto é, se não progredir lentamente), pode resultar em uma explosão violenta, com a emissão repentina de uma enorme quantidade de energia. (SERWAY, 2014, p. 344).
Esta questão está relacionada com o conceito de criticidade13.
Se a taxa de produção de nêutrons é inferior a taxa de perda, diz-se que o meio está subcrítico e a reação em cadeia não se sustenta. Agora, se a taxa de produção de nêutrons é superior à taxa de perca dos mesmos, o meio está num estado supercrítico, aonde ocorre o aumento do número de nêutrons e o consequente aumento do número de fissões (PERUZZO, 2012, p. 139).
Segundo Halliday (2012), para que o processo de fissão libere grande quantidade de energia, é preciso que um evento de fissão produza outros eventos, fazendo o processo se espalhar pelo combustível nuclear como o fogo em um pedaço de madeira. O fato de que dois ou mais nêutrons são liberados em cada evento de fissão é essencial para a ocorrência de uma reação em cadeia, na qual cada nêutron produzido pode causar uma nova fissão. A reação pode ser explosiva (como em uma bomba atômica) ou controlada (como em um reator nuclear).
Falaremos sobre essas aplicações no próximo capitulo.
36
CAPÍTULO 3 - ALGUMAS APLICAÇÕES DA ENERGIA NUCLEAR
A Física Nuclear é uma importante área da ciência no âmbito atual. Neste capítulo apresentaremos algumas das técnicas e tecnologias desenvolvidas pela aplicação de seus princípios e leis e relacionando com o ensino: enriquecimento de Urânio, reatores nucleares, agricultura, aplicações na Medicina e as armas nucleares.
Para Peron (2016), a Física Nuclear e aplicações são importantes temas para a formação do cidadão, uma vez que acidentes nucleares, testes militares e melhorias nas técnicas de tratamento na área médica tem atualmente ganho relativo destaque na mídia.
Isto é reforçado pela Base Nacional Curricular Comum, conforme BRASIL (2018), que ressalta a importância de se analisar:
[...] os vários eventos envolvendo o uso da energia nuclear desde a explosão de bombas atômicas, o vazamento de usinas de geração de energia até descartes de material radioativo. Explicar os perigos do uso dessa energia, utilizando modelos explicativos da ciência, posicionando-se sobre o seu uso adequado e avaliando benefícios e malefícios (p. 218).
Desta realidade, o ambiente escolar desempenha um papel relevante na mediação e debate sobre o tema, uma vez que é de competência da escola a formação e ampliação do conhecimento adquirido pelo estudante através, principalmente, do movimento do senso comum para a aquisição do conhecimento científico, conforme expressa Vygotsky (2000).
Nesse sentido, Cavalcante (2013) relembra que as explicações envolvendo a utilização e produção da energia nuclear provocará mudanças no ensino:
[...] por se tratar de conhecimentos que necessitam de estudos mais pontuais para sua compreensão, pois as informações de senso comum associam à energia nuclear na maioria das vezes à produção de bomba atômica, à contaminação do meio ambiente, à produção de lixo atômico, à radiação, enfim, de uma maneira geral, ela está associada somente a coisas que são prejudiciais ao homem (p. 52).
Em sequência, passamos a descrever as referidas aplicações da energia nuclear.
3.1- Enriquecimento de Urânio (Teor de𝟐𝟑𝟓
𝑼
)O Urânio, após ser extraído das minas, é purificado, pois o importante nas aplicações é este elemento ter o maior teor de 235U. A constituição básica do Urânio natural (símbolo U) é
principalmente dada pelos isótopos0, 7% 𝑑𝑒235U 𝑒 99, 3% de 238U. Assim, torna-se necessário
utilizar métodos para aumentar a baixa concentração de 235U (0, 7%), que é o isótopo que sofre a fissão nuclear.
37
Uma importante situação de formação de conceitos por analogia com um modelo é se trabalhar com os alunos a parte lúdica sobre o enriquecimento dos átomos de Urânio. Peron (2016) demonstrar a diferença de proporção entre os isótopos do átomo de Urânio U-238 (99, 3%) e U-235 (0, 7%) de uma maneira tangível aos alunos. Eles são conduzidos a construção de um modelo representativo dos átomos de Urânio existentes na natureza.
Para ilustrar a proporção dos átomos do Urânio 238 e 235, foram utilizadas 1000 miçangas sendo 993 brancas, representando o U-238 e 7 pretas representando o U-235.
Mesmo ocupando um tempo relativamente grande da aula, isto foi importante para que os alunos tivessem contato com a proporção de cada cor, não apenas através de observação da caixa pronta, mas sentissem, durante a contagem, a grande diferença entre o número dos dois isótopos, representados na atividade (PERON, 2016, p. 54).
Figura 10: O modelo representativo proposto na atividade de Peron (2016).
Fonte: PERON (2016, p. 54).
Esta atividade tem como objetivo de proporcionar embasamento teórico sobre a importância do enriquecimento do urânio e fazer uma análise matemática das proporções existentes entre os dois isótopos.
3.2- Os Reatores Nucleares14
Uma das aplicações da energia nuclear é a produção de eletricidade, pois é uma importante fonte energética para países com escassos recursos hídricos, fósseis entre outros.
38
O funcionamento do reator é devido o resultado das fissões do combustível nuclear que geram uma serie de partículas, fragmentos e radiações as quais interagem com o fluido refrigerante lhe transferindo energia, para posteriormente conseguir movimentar as turbinas.
Como condição para o funcionamento continuo de um reator nuclear a taxa de produção de nêutrons pelas fissões deve se manter em equilíbrio com a taxa de perda de nêutrons, ou por fuga desse meio ou por absorção nos diversos elementos (físseis e não físseis) que o compõem, de modo que podemos dizer que o meio está crítico em uma reação controlada (Barroso, 2010). Durante a operação do reator as variações no valor de criticidade são feitas conforme o necessário, ajustando as barras absorvedoras de nêutrons ou com o auxílio de substancias químicas que têm a mesma função (Peruzzo, 2012).
Na figura 11 indicamos os componentes de um reator nuclear de água pressurizada.
Figura 11: Componentes principais de um reator nuclear de água pressurizada.
Fonte: SERWAY (2014, p. 345).
PERUZZO (2012) explica que existe uma grande variedade de reatores nucleares, mas a maioria deles possui alguns componentes que passamos a descrever.
O Vaso do Reator, que também chamado de vaso de pressão15, é o recipiente que contém
o combustível e aonde ocorrem as reações nucleares, que liberam os nêutrons. Nesse ínterim, o
39
combustível geralmente utilizado são ligas de UO2 (Dióxido de Urânio) com 235U e/ou 239Pu,
na maioria das vezes em forma de varetas.
Outro importante elemento é o moderador de nêutrons, que são materiais sólidos ou substancias liquidas que tem por função reduzir16 (moderar) a energia dos nêutrons, de modo a
favorecer a ocorrência das fissões. Empregam-se geralmente o grafite, água leve (água normal) e água pesada. O moderador fica junto com o combustível nuclear.
As hastes ou barras de controle tem a função de controlar a quantidade de nêutrons presentes no reator. É necessário que haja um controle na reação, pois uma intensificação da sua velocidade pode provocar um superaquecimento, que funde os elementos combustíveis e interrompa a reação em cadeia. Esse controle é feito introduzindo ou retirando as barras de dentro do reator.
O refletor de nêutrons utiliza grafite, água comum, água pesada ou berílio, na forma de paredes ao redor do combustível, com o objetivo de evitar a fuga de nêutrons para o meio externo, por meio da reflexão. O retorno dos nêutrons para o meio aonde ocorre as reações favorece o aumento do fator de multiplicação k, permitindo a redução do tamanho da massa crítica do combustível no reator.
Com relação ao fluido refrigerante este tem por objetivo manter a temperatura no reator em níveis operacionais e conduzir o calor gerado. O fluido refrigerante é o responsável pela transmissão da energia térmica do interior do reator para o gerador de vapor.
O gerador de vapor, também conhecido como trocador de calor, é formado por dois sistemas que não são interligados. Nele, o calor conduzido pelo fluido refrigerante é transferido para a água, que entra em ebulição e gira a turbina. Em cada reator pode existir um ou mais geradores de vapor.
Por último, a blindagem (também chamado de vaso de contensão) é um revestimento que engloba o reator e o gerador de vapor e tem por função absorver a radiação extremamente intensa de nêutrons e raios gama γ produzidos no processo de fissão e que conseguem sair do vaso de pressão.
Noreator nuclear ocorre o processo da:
16 Os nêutrons térmicos possuem energia de 0,025 eV e os nêutrons rápidos energia de 0,5 MeV. Os núcleos de U
235 são fissionados com nêutrons térmicos, de baixa energia. Por isso, os nêutrons rápidos devem perder energia para conseguirem provocar novas fissões (PERUZZO, 2012).
40
[...] fissão nuclear controlada e autossustentada, sendo mantida através do seguinte processo: uma dada quantidade de material fissionável é misturada com um moderador, por exemplo, água, que tem por função frenar os nêutrons, o que aumenta a probabilidade de captura pelos átomos fissionáveis
(PERUZZO, 2012, p. 142).
Ainda sobre isso um importante fator ligado “[...] ligado à energia nuclear que mais tem preocupado os ecologistas, os cientistas e a sociedade de modo geral, é a eliminação do lixo nuclear, também conhecido como lixo atômico” (p. 153).
Na área educacional, a Base Nacional Comum, descrita em Brasil (2016) menciona a necessidade de se comparar a “[...] eficiência energética, do custo e dos impactos ambientais de várias fontes alternativas de energia (solar, eólica, das marés, hidroelétrica, o uso de biocombustíveis, de energia nuclear etc.)” (p. 231).
No que se refere à prática no ensino de física, uma das aplicações dessa proposta poderá ser desenvolvida em sala de aula e é expressa em Montedo (2017) e de modo similar em Peron (2016). Os autores disponibilizaram um texto explicativo sobre o que é Energia Nuclear, a matriz elétrica brasileira e mundial, as vantagens e desvantagens, os acidentes nucleares, o potencial nuclear brasileiro e as reservas naturais do urânio.
Ainda nessa temática, Ramos (2015) apresente outra ferramenta para o aprendizado de Energia Nuclear por meio de PHET que simula o funcionamento de um reator nuclear.
Figura 12: Simulação de um Reator Nuclear em PHET.
41
A simulação de Ramos (2015) está disponível em
https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/legacy/nuclear-fission. Nessa, o aluno pode controlar as barras absorvedoras de nêutrons. O objetivo desta simulação é demonstrar como funciona um reator e a importância de se manter o controle da produção de nêutrons pelas fissões para se ter uma reação controlada.
Outro para se trabalhar o funcionamento de um Reator nuclear é demonstrada por Vieira (2017).
Figura 13: O modelo representativo proposto na atividade de Vieira(a) (2017).
Fonte: VIEIRA (2017, p. 26).
O autor utiliza um jogo de dominó para se fazer uma analogia ao conceito de reação em cadeia.
Figura 14: O modelo representativo proposto na atividade de Vieira (b) (2017).
